Significado de Vulcanização: Definição, Química, Processo e Usos

Vulcanização explicada: desde ligações cruzadas de enxofre até a autoclave industrial

O vulcanização significado a maioria dos engenheiros aprende que vem de um único acidente de borracha pegajosa em 1839: um processo químico que endurece a borracha bruta formando ligações cruzadas de enxofre entre cadeias poliméricas, transformando um material gomoso inutilizável na substância elástica e durável por trás de cada pneu, junta e correia transportadora modernos A descoberta da vulcanização por Charles Goodyear é agora um cavalo de batalha industrial de 186 anos e a mesma química ainda corre dentro de autoclaves certificadas pela ASME operando a 140180 °C em todo o mundo.

Este guia detalha o que a vulcanização significa em inglês simples, a química da reticulação do enxofre, os cinco sistemas de cura usados industrialmente e a infraestrutura de autoclave e vapor que torna possível a vulcanização em grande escala hoje.

O que significa vulcanização?

A vulcanização é um processo químico que endurece a borracha natural ou sintética, envolvendo a criação de ligações cruzadas de enxofre entre moléculas de polímero de cadeia longa. Esta reação altera um material termoplástico macio e pegajoso (borracha) em um elastômero elástico resistente ao calor com uma rede termoendurecível que não pode ser fundida. A entrada da Britannica na vulcanização reflete isso, ao descrever a química da vulcanização: “Este combina enxofre com borracha de ligação cruzada como pontes cruzadas entre moléculas de cadeia longa e o produto exibe maior resistência à tração, melhor resistência à abrasão e elasticidade em uma faixa de temperatura mais ampla do que a borracha não tratada”.

Em linguagem simples, a vulcanização transforma a borracha de uma goma em um material de engenharia de trabalho Borracha natural crua extraída de Hevea brasiliensis as árvores saem como látex de poliisopreno; sem ligações cruzadas de enxofre, ele amolece em temperaturas quentes, racha em temperaturas frias e é praticamente inútil para pneus, mangueiras ou vedações.

Origem: Goodyear, 1839, e o Deus Romano do Fogo

Um caminho para a vulcanização moderna foi iniciado por um único acciden t. Um dia na Eagle India Rubber Company em Woburn, Massachusetts, Charles Goodyear estava misturando misturas químicas para preservar a forma natural de muitas variedades de borracha; cachos ou derretidos no forno em um dia de janeiro, ou divididos ao meio durante o congelamento de janeiro Um dia em 1839, enquanto misturava borracha e enxofre, Goodyear acidentalmente deixou cair a mistura em um fogão quente Em vez de derreter ainda mais, a borracha carbonizada nas bordas e permaneceu firme (a) e como ele aplicou mais calor, na verdade endureceu Este relato, extraído de Connecticut History.org e biógrafo Charles Slack, captura o momento que converteu a borracha da curiosidade em mercadoria industrial.

Goodyear era um espanto, a borracha não derreteu. E quando ele aumentou o calor, ficou ainda mais forte.

Uma corrida de patentes seguiu-se a Vulcano continua a ser uma curiosidade da história industrial O britânico Thomas Hancock registrou uma patente no Reino Unido para vulcanização de enxofre em 21 de novembro de 1843 inventor oito semanas antes da patente da Goodyear nos EUA em 30 de janeiro de 1844 A palavra “vulcanization” em si foi cunhada por William Brockedon, um amigo de Hancock, depois de Vulcano, o deus romano do fogo associado ao enxofre e vulcões Goodyear morreu cerca de $200.000 em dívida, apesar de seu avanço; a famosa empresa de pneus carregando seu nome foi fundada anos após sua morte como uma homenagem.

Outra ramificação surpreendente deste processo: as antigas culturas mesoamericanas vulcanizavam a borracha com sucos de plantas ricos em enxofre cerca de 3.500 anos antes da Goodyear, de acordo com uma reportagem do MIT News de 1999 examinando a tecnologia de borracha olmeca As civilizações antigas criaram bolas de jogo, solas de sandália e recipientes estanques a partir deste elastômero natural descascado O próprio Goodyear não esteve envolvido com a primeira invenção, mas suas principais inovações no controle de processos foram a razão pela qual a borracha vulcanizada permaneceu um elemento básico do comércio mundial.

A Química: Como o Enxofre Cross-Links Polímeros de Borracha

Aquecer borracha com enxofre é a maneira mais simples de descrever o que acontece durante a vulcanização, mas a química é mais específica A vulcanização do enxofre ocorre porque é notavelmente sensível à localização e ao grau de ataque do enxofre na cadeia polimérica da borracha A borracha natural, o poliisopreno, continua sendo um polímero de cadeia longa (macromolécula) com intercalações regulares de ligações duplas carbono-carbono Os átomos adjacentes a ligações duplas exibem átomos de hidrogênio deslocáveis que são ‘alvos’ convenientes que os químicos nomeiam posições alílicas Durante a vulcanização, átomos de enxofre individuais são quebrados da molécula diatômica e formam pontes de vários átomos de enxofre de comprimento (polissulfetos) entre cadeias vizinhas, bloqueando-os em uma nova matriz tridimensional irremovível.

Os resultados são dramáticos As fichas técnicas publicadas para borracha vulcanizada natural pré-curada de grau de motor (publicada na internet) descrevem uma tensão de ruptura final de cerca de 28 MPa, contra apenas um dígito para borracha bruta Este número concorda dentro do erro de medição com pesquisas independentes de instituições acadêmicas sobre látex de borracha natural pré-vulcanizada, relatando uma resistência à tração de 26,7 MPa. O desenvolvimento de outras propriedades inclui aumentos na resistência ao rasgo, resistência ao rasgo, dureza e elasticidade; e um ligeiro aperto da cadeia polimérica, à medida que a rede se aperta.

O enxofre por si só não é o ideal: é lento e menos eficaz, e tende a oxidar e quebrar As formulações comerciais hoje incluem aceleradores como sulfenamidas, tiazóis, tiuramas ou guanidinas, e ativadores muitas vezes combinando óxido de zinco e ácido esteárico Deixar de incluir a verdadeira mistura de aceleradores pode resultar em horas de reticulação lenta e fraca de enxofre livre de um material, e muita sucata; George Oenslager em 1912 desenvolveu um sistema verdadeiro e preciso de acelerador e ativador, vendendo o conceito e publicando um conjunto padrão da indústria de receitas, não apenas Goodyear, que permitiu a vulcanização da borracha em escala industrial.

Uma vez formadas, as ligações cruzadas não revertem as transformações químicas e não se quebram; esta característica irreversível define diretamente um termofixo Tão inevitável quanto a ligação cruzada é o aumento associado da viscosidade durante o ciclo de cura; a chamada curva de cura é um conceito importante na fabricação de borracha (o tempo na cura 901TP3 T é conhecido como t90 e determinado pelo teste do reômetro ASTM D2084. Uma vez reticulado, a propensão dos materiais de borracha a deslizar para trás, passando por si mesmo, é interrompida.

Como funciona a vulcanização: o processo passo a passo

Este processo ocorre através e a partir de um complexo de quatro etapas principais Cada etapa será eventualmente uma causa de peças de sucata inutilizáveis:

1. Composição. borracha bruta também conhecida como composto (composto) é misturada com enxofre (5-301TP3 T em massa), aceleradores, ativadores, cargas (negro de fumo ou sílica), antioxidantes e auxiliares de processo em um moinho de dois rolos ou em um misturador interno Banbury Os compostos garantem que a mistura permaneça abaixo da temperatura de queima da mistura até que seja alimentada a jusante para modelagem Caso contrário, como a reticulação ocorre na borracha começará a ocorrer prematuramente e afetar adversamente as propriedades da borracha.
2. Moldagem. composto de borracha não vulcanizada é extrudado em perfis de mangueira ou tiras de vedação calandradas em folhas, ou dosadas em um molde fechado A modelagem deve ser concluída antes da vulcanização para que a borracha ainda possa fluir antes que fortes ligações cruzadas definam a forma uma vez que os compostos reticulados são estabelecidos.
3. Cura. calor e calor são introduzidos na borracha por um período de tempo desejado com base na densidade reticulada,” que variam com a espessura do componente, formulação e borrachas especificadas Em uma autoclave, transferências de vapor saturado a 140 °C 140. Em uma autoclave, placas aquecidas eletricamente são usadas para fornecer calor diretamente a um molde em uma prensa hidráulica Um tempo de cura necessário pode ser de 3 a 4 minutos para juntas finas a mais de uma hora para uma correia transportadora espessa.
4. Resfriamento e acabamento Os desagravamentos controlados estabilizam a rede reticulada Em seguida, o produto é aparado, inspecionado na superfície e testado (ASTM D2240) antes do envio.

Um detalhe de qualidade sutil: deve ser aquecido após a temperatura de ativação do acelerador escolhido, não apenas além do ponto de fusão do enxofre. Não corresponder à temperatura correta de cura do sistema de cura é uma das falhas mais caras no processamento de borracha. Os sintomas do sistema de enxofre são pegajosidade superficial se estiver sob cura, giz e perda de elasticidade se estiver sobrecurada (reversão).

Métodos de Vulcanização: Autoclave, Prensa Quente, Ar Quente, RTV

Em um ambiente industrial O artigo de vulcanização da Wikipédia lista cinco sistemas de cura diferentes em uso atual: sulfuroso -, peróxido -, óxido metálico -, acetoxissilano - e uretano-reticulação Cada sistema corresponde a um tipo diferente de química da borracha, que por sua vez se correlaciona a um método de processamento diferente A seleção do processo certo e da combinação de formulação depende da geometria desejada da peça, do volume de produção e do ambiente de serviço pretendido.

Cura vs. Vulcanização: Eles são a mesma coisa?

Cura é o termo guarda-chuva-ele cobre cada caminho de reticulação química aplicada a polímeros, incluindo vulcanização de sulpher, cura de peróxido, cura de óxido metálico, cura por radiação e cura de umidade ambiente Vulcanização originalmente referido apenas à cura à base de enxofre de borracha natural como a técnica Goodyear descobriu Praticantes da indústria usam os dois de forma intercambiável informal, mas especificações, fichas técnicas e patentes distingui-los quando a química está em causa.

Uma regra-de-polegar entre os dois processos: se o agente de reticulação é enxofre (ou um doador de enxofre), chame-o de vulcanização Se o agente é um peróxido, óxido metálico, acetoxissilano, ou radiação de feixe eletrônico chamá-lo de cura-mesmo se a rede formada é semelhante Ambos os processos resultam em borracha vulcanizada ou curada que é mais dura, mais elástica e mais resistente ao calor do que a borracha bruta.

Uma distinção importante na aquisição: uma junta EPDM curada com peróxido e uma junta EPDM vulcanizada com enxofre têm dureza Shore praticamente idêntica, mas seria esperado que se comportassem de maneira diferente em óleo quente, ozônio e vapor saturado Especificar qual método de cura foi usado é como os engenheiros evitam falhas prematuras.

Para onde vai a borracha vulcanizada: pneus, vedações, cintos e muito mais

A maioria dos produtos de borracha produzidos na economia atual sofreu vulcanização As cadeias poliméricas na borracha vulcanizada são responsáveis por fornecer a combinação útil de características elásticas, de resistência à tração, resistência à abrasão, dureza e isolamento elétrico Vários produtos finais diferem apenas na densidade de reticulação e na composição do pacote de enchimento para se adequar ao determinado ambiente de serviço.

Os usos finais comuns abrangem dezenas de aplicações: pneus de veículos, correias transportadoras, vedações industriais e anéis de vedação, mangueiras de borracha, solas de sapatos, amortecedores de vibração, amortecedores, jaquetas de isolamento elétrico, membranas de cobertura, juntas de expansão e tanques revestidos de borracha. O poliisopreno e a borracha de estireno-butadieno são os polímeros mais vulcanizados globalmente, principalmente porque a indústria de pneus consome a maioria de ambos.

Os próprios pneus de borracha vulcanizada são uma verificação de escala útil: mais de um bilhão de pneus em todo o mundo são descartados todos os anos, mas cada um desses pneus passou por um ciclo de cura por vulcanização durante a fabricação. Por uma química semelhante de reticulação de enxofre, a mesma química também produz revestimentos de reatores químicos, juntas que selam pasteurizadores de qualidade alimentar e buchas que amortecem bogies de locomotivas atendidas plantas industriais de vulcanização à base de autoclave em seis continentes.

Vulcanização Industrial: Como o Vapor e as Autoclaves o Tornam Possível

A vulcanização em escala industrial raramente é um assunto de topo de estocagem Para peças grandes ou irregulares (correias transportadoras, comprimentos de mangueira tanques revestidos de borracha, pneus de caminhão recauchutados (retraid truck) A resposta de produção de borracha é um recipiente de pressão cilíndrico chamado autoclave de vulcanização, continuamente fornecido com vapor saturado de um montante caldeira a vapor industrial. O recipiente eleva a peça para curar a temperatura uniformemente, o vapor saturado transporta o calor para o composto de borracha e a pressão aplicada evita defeitos de porosidade decorrentes da evolução do gás durante a cura.

Condições médias de operação da autoclave: 140-170 °Celsius, pressão de vapor saturado de 4-6 barG, duração do ciclo de 30-90 minutos O vapor saturado é gerado em um gerador de vapor industrial dedicado (de gás natural), biomassa combustível-óleo, fornecimento elétrico (electric supply) e silic canalizado através de tubulação isolada na casca do vaso da autoclave Para ciclos de cura de temperatura mais alta típicos de especialidades e compostos peróxidos, alguns densificam o fornecimento de calor disponível com um fonte térmica de calor do óleo em vez disso, como o óleo térmico atinge até 350 °C sem as altas pressões associadas ao vapor saturado.

O projeto de vasos de pressão usados para autoclaves de vulcanização de borracha é definido pelos mesmos códigos regulatórios que se aplicam a vasos de pressão de processo semelhantes: Código ASME de caldeiras e vasos de pressão Seção VIII Divisão 1 nos EUA e GB/T 150 na China. Ambos exigem verificação de terceiros, exames hidrostáticos, documentação de procedimentos de solda e inspeções periódicas frequentes quando em serviço a condição da autoclave é crítica Nossos engenheiros fabricam autoclaves de vulcanização de acordo com os padrões ASME e GB/T 150 desde 1976 e fornecem recauchutadores de pneus, fabricantes de mangueiras e lojas de revestimento de borracha em mais de 100 países.

Perguntas frequentes